粘貼碳纖維布技術(shù)在橋梁工程加固中的應(yīng)用探析

劉勝軍

(內(nèi)蒙古路橋有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

粘貼碳纖維布技術(shù)在橋梁工程加固中的應(yīng)用探析

劉勝軍

(內(nèi)蒙古路橋有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

粘貼碳纖維布技術(shù)，由于其質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、施工簡(jiǎn)便、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛用于隧道、橋梁、建筑物等混凝土結(jié)構(gòu)的加固。碳纖維布技術(shù)在橋梁加固時(shí)基本不受條件限制，并且能夠起到加固補(bǔ)強(qiáng)、增加承載力的作用，因此應(yīng)用較廣。本文詳細(xì)闡述了粘貼碳纖維布技術(shù)在橋梁加固工程中的應(yīng)用,并從施工工藝、工序等方面進(jìn)行了認(rèn)真分析與探討。

橋梁 碳纖維布 加固

碳纖維布加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)，主要用于對(duì)鋼筋混凝土及素混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)的加固與修補(bǔ)工程。

1 碳纖維布的特點(diǎn)

(1)材料質(zhì)輕高強(qiáng)：抗拉強(qiáng)度3200～3800MPa，為同截面鋼材的10倍以上，比重2.0～3.0g/cm3，單層厚度0.15～0.2mm，用粘結(jié)劑將它與結(jié)構(gòu)物粘貼后形成一體，厚度僅為2mm左右，基本上不增加構(gòu)件截面，而結(jié)構(gòu)物自重的增加幾乎可以忽略，能可靠地保證與原鋼筋混凝土構(gòu)件共同工作，獲得優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)效果；適用面廣，廣泛適用于建筑物橋梁隧道等各種結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)形狀的加固修復(fù)和抗震加固及節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)加固。

(2)施工便捷：占用場(chǎng)地少，不需大型機(jī)具，沒(méi)有濕作業(yè)，無(wú)需動(dòng)火，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)固定設(shè)施，施工工效高。

(3)高耐久性：不會(huì)生銹，非常適合高酸、堿、鹽及大氣腐蝕環(huán)境中使用，還具有抗疲勞強(qiáng)度高，耐磨損、抗老化等優(yōu)點(diǎn)。

2 加固原理

加固原理：將碳纖維布，采用高性能的碳纖維配套樹脂浸漬膠粘結(jié)于混凝土構(gòu)件的表面，利用碳纖維材料良好的抗拉強(qiáng)度，達(dá)到增強(qiáng)構(gòu)件承載能力及強(qiáng)度的目的。下面對(duì)碳纖維復(fù)合材料和粘結(jié)材料進(jìn)行重點(diǎn)介紹：

2.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料通常有纖維合基體組成。加固砼結(jié)構(gòu)用的纖維材料目前主要有三種：玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維。碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)特點(diǎn)是其應(yīng)力應(yīng)變量完全線彈性，不存在屈服點(diǎn)或塑性區(qū)。由于碳纖維材料具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異物理力學(xué)性能，以及現(xiàn)場(chǎng)施工便捷，所以是舊橋加固補(bǔ)強(qiáng)的理想材料。

加固砼構(gòu)件所用的碳纖維布，是由碳纖維長(zhǎng)絲經(jīng)變制而成制成的柔軟片材。目前可用于舊橋結(jié)構(gòu)加固的碳纖維有單向碳纖維布、單向碳纖維交織布、雙向碳纖維交織布及單項(xiàng)壓層材料等，可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位和受力特性與方向等，選擇相應(yīng)的碳纖維布進(jìn)行加固。

2.2 粘結(jié)材料

粘結(jié)材料是性能保證碳纖維布與砼共同工作的關(guān)鍵，也是兩者之間傳力途徑的薄弱環(huán)節(jié)。因此，粘結(jié)材料應(yīng)有足夠的剛度與強(qiáng)度保證碳纖維與混凝土間剪力的傳遞，同時(shí)應(yīng)有足夠的韌性，不會(huì)因混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致脆性粘結(jié)破壞。此外，由于舊橋加固均在野外，所以粘結(jié)材料還應(yīng)能在一般氣候條件下固化，且固化時(shí)間合適（一般保證有3h左右），具有適宜的流動(dòng)性和粘度，固化收縮率小。

粘結(jié)材料是既能將連續(xù)纖維狀的碳纖維結(jié)合在一起，同時(shí)又能與混凝土表面粘合的系列粘結(jié)材料。它主要包括三類材料：底層涂料、整平材料和浸漬樹脂。

底層涂料（底涂膠）在處理好的混凝土表面上，涂一層很薄的底層膠，既可以浸入混凝土表面，強(qiáng)化混凝土表面強(qiáng)度，又可以改進(jìn)膠結(jié)性能，從而使混凝土與碳纖維布之間的粘結(jié)性得以提高。因此要求底涂料膠必須具有很低的粘度，以及與混凝土間良好的粘結(jié)性能，以便于涂刷在混凝土表面后，膠粘劑能滲入混凝土結(jié)構(gòu)中。為保證性能，應(yīng)盡量避免使用溶劑型膠。

整平材料（找平膠）碳纖維布只有與所加固補(bǔ)強(qiáng)的混凝土表面緊密接觸，才能產(chǎn)生良好的補(bǔ)強(qiáng)效果。但混凝土表面的銳利突起物、錯(cuò)位和轉(zhuǎn)角部位等都可能使碳纖維布產(chǎn)生損傷，并引強(qiáng)度降低?；炷恋牡讓油苛现劣|干燥后，必須用找平膠進(jìn)行找平，同時(shí)將矩形斷面直角打磨后補(bǔ)成圓弧狀。

找平膠應(yīng)具有優(yōu)良的力學(xué)性能，以及良好的施工性能與觸變性能。在施工過(guò)程中，找平膠應(yīng)易于操作，且不隨時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)明顯的變形，同時(shí)應(yīng)防止膠的滴掛。一般的普通環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度和強(qiáng)韌性都達(dá)不到找平膠的要求，不應(yīng)調(diào)配使用。

浸漬樹脂（粘結(jié)主膠）浸漬樹脂在粘結(jié)材料中起著至關(guān)重要的作用，它連接底膠與碳纖維布。它的粘度應(yīng)控制在一定的范圍，有利于浸漬樹脂順利地將碳纖維布粘附于混凝土表面，經(jīng)過(guò)碾壓，使浸漬樹脂很容易浸透碳纖維布，形成一個(gè)復(fù)合性整體，共同抵抗外力作用。

浸漬樹脂不僅應(yīng)具有良好的滲透性以利于浸透碳纖維布，同時(shí)還應(yīng)具有一定的初粘力，防止粘結(jié)的碳纖維布塌落而形成空洞或空隙。并且本身應(yīng)具有良好的觸變性，易于施工且不會(huì)發(fā)生明顯的滴淌現(xiàn)象。另外，膠粘劑與碳纖維的相如性和粘結(jié)力必須極好，才能滿足纖維布和混凝土形成預(yù)定的復(fù)合材料。

防護(hù)材料(罩面膠)罩面膠是為了施工表面美觀和保護(hù)碳纖維布。只要求材料能涂覆在碳纖維布表面，并不脫層，不掉落，能長(zhǎng)期在冷熱干燥的空氣中穩(wěn)定，防止復(fù)合材料被紫外線直接照射。

膠與膠的相容性 用碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)的施工過(guò)程中，膠是一層一層疊加上去復(fù)合而成的，與砼直接接觸的只有底涂膠、找平膠，而粘結(jié)主膠、找平膠、碳纖維布和罩面膠相連；因此不同膠之間的相容性粘結(jié)性應(yīng)予以充分的考慮。

3 加固受力特點(diǎn)分析

與傳統(tǒng)的其它加固方法相比，采用碳纖維布加固舊橋能最小程度的改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，保證在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)與原結(jié)構(gòu)共同受力。

將抗拉性能優(yōu)良的碳纖維布粘貼到梁體地面或箱梁內(nèi)壁上，使其與原結(jié)構(gòu)一起受力，及碳纖維布可以與原結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋一道共同承受拉力，以提高舊橋的承載力。

沿橋梁的主拉應(yīng)力方向（或與裂縫正交方向）粘貼碳纖維布，兩端分別設(shè)置錨固端，據(jù)此可約束混凝土裂縫、防止裂縫再擴(kuò)展，從而達(dá)到提高構(gòu)件抗彎剛度、減少構(gòu)件撓度、改善梁體受力狀態(tài)的目的。

碳纖維布加固混凝土構(gòu)件，在提高其受彎承載力的同時(shí)還可能影響受彎構(gòu)件的破壞形態(tài)。當(dāng)碳纖維布用量過(guò)多時(shí)，構(gòu)件的破壞形態(tài)將由碳纖維被拉斷引起的破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷镣蝗槐粔核榈钠茐?。與此同時(shí)，由于碳纖維為完全彈性的材料，它與鋼筋的共同工作會(huì)減弱鋼筋塑性性能對(duì)構(gòu)件延性的影響。碳纖維布用量過(guò)多，構(gòu)件延性將有所降低，因此，碳纖維布用于鋼筋混凝土梁式橋的加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理使用。

試驗(yàn)研究證實(shí)，碳纖維布能夠提高混凝土梁抗剪承載力，其作用機(jī)理與箍筋類似，同時(shí)還能明顯改善構(gòu)件的變形性能，增強(qiáng)構(gòu)件的變形能力。

碳纖維布與混凝土基層界面，可分為兩個(gè)界面區(qū)，即混凝土基層與粘結(jié)樹脂界面區(qū)、粘結(jié)樹脂與碳纖維布界面區(qū)。粘結(jié)性能的本質(zhì)是接觸面間的相互作用，宏觀上表現(xiàn)為液態(tài)聚合物浸潤(rùn)表面后形成的機(jī)械鎖結(jié)，微觀上表現(xiàn)為分子擴(kuò)散后相互纏結(jié)作用，或化學(xué)鍵作用，或靜電吸引作用，或其符合作用。

4 碳纖維布加固舊橋特點(diǎn)

(1)不增加永久作用及斷面尺寸；(2)可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，成型很方便；(3)施工簡(jiǎn)便；(4)采用碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生新的損傷；(5)能有效地封閉混凝土的裂縫；(6)碳纖維布（片）具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性；(7)不影響結(jié)構(gòu)的外觀。

5 碳纖維布加固設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)

由于碳纖維布加固后在最后破壞時(shí)的突然性（拉斷或剝離等脆性破壞），其承載力極限狀態(tài)不能按普通鋼筋混凝土的定義，一般應(yīng)按碳纖維抗拉強(qiáng)度的2/3進(jìn)行抗彎承載力計(jì)算。

采用碳纖維布加固舊橋，目前一般的計(jì)算方法是將碳纖維布按照一定的標(biāo)準(zhǔn)（例如強(qiáng)度或允許應(yīng)力）近似換算成一定用量的鋼筋，然后按照傳統(tǒng)的鋼筋混凝土受力分析模型進(jìn)行理論分析。雖然是近似計(jì)算方法，但理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好，因此在一般情況下是適用的。

6 施工工藝

(1)施工準(zhǔn)備。擬定施工方案和施工計(jì)劃，應(yīng)對(duì)所使用的碳纖維片材、配套樹脂、機(jī)具等作好施工前的準(zhǔn)備工作。

(2)基面處理。1）混凝土表面的劣化層（如浮漿、風(fēng)化層等）要用砂輪機(jī)進(jìn)行清除和打磨，露出混凝土結(jié)構(gòu)層；2）基面錯(cuò)位與突出部分要磨平，轉(zhuǎn)角部位要進(jìn)行倒角處理；3）裂縫部分按設(shè)計(jì)要求對(duì)裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理。

(3)基面的清洗。1）先用鋼絲刷將表面松散浮渣刷去，然后用壓縮空氣除去粉塵；2）用丙酮或無(wú)水酒精擦試表面，也可以用清水沖洗，但必須保證其充分干燥后才能進(jìn)行下道工序的施工。

(4)涂刷底膠。1）按比例準(zhǔn)確配置好底膠并攪拌均勻，注意一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)完成，超過(guò)時(shí)間的絕對(duì)不能使用，以確保粘結(jié)質(zhì)量；2）用滾筒或刷子均勻地涂抹在基面上，注意直接均勻涂抹，自然風(fēng)干。如在冬季施工時(shí)膠的粘結(jié)都較高，不能涂的太厚；3）底膠硬化后，使表面有凸起部分時(shí)，要用磨光機(jī)或砂紙打光；4）待底膠指觸干燥后，進(jìn)入下道工序。

(5)粘貼面的修補(bǔ)。1）若發(fā)現(xiàn)粘貼面上有凹入部位，應(yīng)用找平膠進(jìn)行修補(bǔ)，保證粘貼面的平整，以確保加固效果；2）待找平膠指觸干燥后進(jìn)入下一道工序。

(6)粘貼碳纖維布。1）在待粘貼面上劃出各層位置；2）依設(shè)計(jì)尺寸裁剪碳纖維布，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)和作業(yè)空間確定下料長(zhǎng)度，若需要進(jìn)行接長(zhǎng)時(shí)，接頭的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定，一般不得小于15cm；3）下料數(shù)量應(yīng)以當(dāng)天能用完為準(zhǔn)；4）粘貼碳纖維布時(shí)，應(yīng)依設(shè)計(jì)位置由上而下，由左至右有秩序地粘貼，并以滾筒壓擠貼片，是碳纖維布與浸漬樹脂充分結(jié)合，同時(shí)以壓板去除氣體；5）即時(shí)觀察貼片是否密實(shí)，若發(fā)現(xiàn)有間隙或氣泡時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理。

(7)罩面防護(hù)處理。1）粘貼完碳纖維布后，即時(shí)在其表面再制衡均勻涂抹一層浸脂樹脂，自然風(fēng)干；2）確保貼片表面已充分風(fēng)干結(jié)合后，在其表面涂抹罩面膠或采取其他措施處理，以保證各層膠的耐久性。

7 粘貼施工要求

(1)對(duì)被加固構(gòu)件的基面要求。因?yàn)橛锰祭w維布加固混凝土構(gòu)件是依賴于碳纖維布與構(gòu)件表面的粘貼效率，所以要求基面的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C15。同時(shí)要求被加固構(gòu)件應(yīng)具有良好的保護(hù)層，即基面平整且具有一定強(qiáng)度。對(duì)于構(gòu)件有剝落、起皮、腐蝕、裂縫及嚴(yán)重碳化表面缺損，必須先進(jìn)行修復(fù)，并應(yīng)將粘貼基面打磨平整、清理干凈，且不應(yīng)存在尖銳棱角和浮灰粉塵，防止碳纖維布的局部剝斷破壞和粘貼失效。

(2)碳纖維布的粘貼。用碳纖維布加固混凝土構(gòu)件宜采用薄布多層的粘貼方法，使其與粘貼材料充分浸潤(rùn)，確保粘貼效率。對(duì)于受彎構(gòu)件宜在受拉區(qū)沿軸向平直粘貼碳纖維布進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，并在主纖維方向的斷面部進(jìn)行附加錨固處理。

(3)碳纖維布的搭接與截?cái)唷＜庸痰奶祭w維布一般不應(yīng)采取沿主纖維方向的搭接，尤其是對(duì)受拉構(gòu)件和受彎構(gòu)件受拉區(qū)的加固。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維布與混凝土間粘結(jié)錨固的試驗(yàn)結(jié)果，粘結(jié)應(yīng)力主要集中于端部100mm范圍內(nèi)，粘結(jié)破壞是脆性的，且粘結(jié)應(yīng)力一般不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)展。因此，若碳纖維布確需搭接時(shí)，其搭接部位應(yīng)避開(kāi)構(gòu)件應(yīng)力最大區(qū)段，搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100mm，且搭接接端部應(yīng)平整無(wú)翹曲。多層搭接的各層接口位置不應(yīng)的同一截面，每層接口位置的凈距宜大于200mm。

(4)粘貼碳纖維布施工安全措施及注意事項(xiàng)。1）裁剪及使用碳纖維布時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電源，尤其是高壓電線及輸電線路。由于碳纖維布為導(dǎo)電材料，因此配套用膠要密封儲(chǔ)存，遠(yuǎn)離火源，避免陽(yáng)光直接照射，施工時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離電器設(shè)備及電源，或采取可靠的防護(hù)措施。2）由于碳纖維布脆性大，抗折能力差，同時(shí)為了保證其整體完整性及施工質(zhì)量，施工過(guò)程中務(wù)必要避免碳纖維布的彎折；配置及使用膠的場(chǎng)所必須保持良好的通風(fēng)；碳纖維布實(shí)際粘貼面積應(yīng)不少于設(shè)計(jì)量，位置偏差應(yīng)不大于10mm，碳纖維布粘貼好以后，在其表面抹20厚M15水泥砂漿做表面防護(hù)，施工過(guò)程中應(yīng)考慮環(huán)境濕度對(duì)樹脂固化的不利影響。3）現(xiàn)場(chǎng)施工人員工作服應(yīng)穿戴整齊，佩戴口罩和手套，在施工過(guò)程中及施工結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)人員嚴(yán)禁吸煙，嚴(yán)格按照相關(guān)崗位安全責(zé)任制，落實(shí)各項(xiàng)安全生產(chǎn)條款要求。4）施工結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收以評(píng)定碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量為主，用小錘等工具輕輕敲擊或手壓碳纖維布表面來(lái)檢查，以回聲來(lái)判斷粘結(jié)效果，總有效粘貼面積不應(yīng)低于95%，如出現(xiàn)空鼓等粘貼不密實(shí)現(xiàn)象，應(yīng)采取針管注膠的方法進(jìn)行補(bǔ)救，若粘結(jié)面積小于90%，則判定為粘結(jié)無(wú)效，需重新施工。5）對(duì)于碳纖維布粘貼面積在1000m2以上的工程，為檢驗(yàn)其加固效果應(yīng)與建設(shè)單位協(xié)商進(jìn)行荷載試驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)變形等各項(xiàng)指標(biāo)均應(yīng)滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)及使用要求。6）碳纖維布的施工應(yīng)根據(jù)膠質(zhì)的要求選擇合適的天氣進(jìn)行施工，施工宜在5℃以上環(huán)境溫度下進(jìn)行，并應(yīng)符合配套樹脂的施工使用溫度，環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)使用適用低溫環(huán)境的配套樹脂或采用升溫處理措施。7）工程驗(yàn)收時(shí)必須有碳纖維及其配套膠料廠家所提供的材料檢驗(yàn)證明，每一道工序結(jié)束后均應(yīng)按工藝要求進(jìn)行各工序隱蔽過(guò)程檢驗(yàn)與驗(yàn)收，作好相關(guān)的驗(yàn)收記錄，如施工質(zhì)量不能滿足規(guī)程要求，應(yīng)立即采取補(bǔ)救措施或返工。

(5)加固所用的碳纖維布及其配套粘結(jié)材料均應(yīng)有廠家所提供的材料檢驗(yàn)證明和合格證。

[1]《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》.

[2]《碳纖維施工驗(yàn)收規(guī)范》.

[3]《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》.

[4]《碳纖維布加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)施工及驗(yàn)收規(guī)范》，同濟(jì)大學(xué)出版社.